儲(chǔ)能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

廣東省能源集團(tuán)貴州有限公司 李 強(qiáng)

隨著儲(chǔ)能技術(shù)的日漸成熟，其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)彰顯出來(lái)，具體可體現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：為大規(guī)模新能源發(fā)電創(chuàng)造有利條件。太陽(yáng)能、風(fēng)能新能源所具備的優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)化石能源達(dá)不到的，可維護(hù)電網(wǎng)運(yùn)行安全。儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電；可以改變能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)。新能源符合可持續(xù)發(fā)展要求，隨著人類(lèi)對(duì)能源需求的加大，有必要充分利用新能源，轉(zhuǎn)變能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)儲(chǔ)能技術(shù)能實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行或并網(wǎng)運(yùn)行，促進(jìn)新能源電力系統(tǒng)的優(yōu)化改造[1]。

1 某廠儲(chǔ)能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用類(lèi)型

某廠新能源電力系統(tǒng)運(yùn)行期間，新能源配建儲(chǔ)能基于一體化和自調(diào)度模式參與電力系統(tǒng)的發(fā)展，目前已累計(jì)增加新能源消納0.9億kWh。晚高峰時(shí)間，應(yīng)急集中調(diào)用全網(wǎng)儲(chǔ)能資源頂峰保供17次，累積放電量300萬(wàn)kWh。內(nèi)蒙古電網(wǎng)新型儲(chǔ)能放電電力高達(dá)117萬(wàn)kW，晚高峰時(shí)段的放電量可以達(dá)到175萬(wàn)kWh，可以發(fā)揮儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要作用。

1.1 物理儲(chǔ)能技術(shù)

1.1.1 壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能過(guò)程中，風(fēng)電機(jī)組會(huì)輸出較大功率，此時(shí)富余的風(fēng)電會(huì)被注入壓縮空氣儲(chǔ)能電站內(nèi)，利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，完成對(duì)空氣壓縮與降溫處理，隨后再將空氣存儲(chǔ)在專(zhuān)門(mén)的儲(chǔ)氣室中。如圖1所示，壓縮機(jī)與膨脹機(jī)被安裝于一根軸中，壓縮機(jī)所消耗的能量由膨脹機(jī)負(fù)責(zé)提供，在提高壓縮機(jī)工質(zhì)壓力的同時(shí)，也方便膨脹機(jī)做功。當(dāng)二者不處于同一個(gè)軸時(shí)，壓縮過(guò)程與膨脹過(guò)程就會(huì)被分開(kāi)，從而形成壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的基本雛形。在儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，系統(tǒng)依靠風(fēng)/光電或者低谷電能來(lái)帶動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使電能被成功轉(zhuǎn)化成空氣壓力能，然后高壓空氣會(huì)被集中密封存儲(chǔ)在已經(jīng)報(bào)廢的巖洞或礦井中，或者直接被存儲(chǔ)于人造儲(chǔ)氣罐。釋能環(huán)節(jié)放出高壓空氣，對(duì)膨脹機(jī)產(chǎn)生推動(dòng)作用，使存儲(chǔ)的空氣壓力轉(zhuǎn)為機(jī)械能與電能[2]。

圖1 液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖

某廠關(guān)于壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的有效應(yīng)用，剛好是在我國(guó)成功自主研發(fā)出10MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的時(shí)代背景下，歷經(jīng)4000h采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為某廠引進(jìn)新儲(chǔ)能裝置帶來(lái)了明確方向。購(gòu)進(jìn)該裝置后發(fā)電量逐漸達(dá)到了4萬(wàn)kWh，其供電范圍增加到3000戶(hù)，并且在此設(shè)備儲(chǔ)能服務(wù)至上，投資的儲(chǔ)能成本得以縮減，綜合效益比往年有所增長(zhǎng)。為促使某廠系統(tǒng)高效利用新能源，還對(duì)此裝置進(jìn)行了升級(jí)改造，從100kW調(diào)整為500kW，整體儲(chǔ)能量呈遞增趨勢(shì)。

壓縮空氣能存儲(chǔ)多少能量，可依據(jù)熱力學(xué)區(qū)別環(huán)境壓力與環(huán)境空氣的做功能力，單位質(zhì)量下做功能力（可以轉(zhuǎn)換的功）如下：e=u-u0-T0（s-s0），式中：u指的是內(nèi)能；T為溫度；s為墑；0代表的是環(huán)境條件。由此可見(jiàn)，溫度越高，內(nèi)能u就越大，同時(shí)s也會(huì)越大；壓力越大，墑s越小，但是內(nèi)能基本不變，所以溫度與壓力的升高都會(huì)讓單位質(zhì)量空氣做功能力增加。壓縮空氣壓力是100倍大氣壓，溫度上環(huán)境溫度時(shí)，1m3空氣內(nèi)部的能量可以轉(zhuǎn)化為12.9kWh。壓縮空氣壓力增加到200倍大氣壓時(shí)，此時(shí)1m3空氣內(nèi)部可以?xún)?chǔ)存電能28.3kWh，將空氣加熱到300℃，可釋放54.4kWh。

筆者在對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的研究中，以?xún)?chǔ)能技術(shù)為基礎(chǔ)，了解一種液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要通過(guò)對(duì)空氣降溫液化技術(shù)的應(yīng)用，讓空氣以液態(tài)形式得以?xún)?chǔ)存，儲(chǔ)能環(huán)節(jié)經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)的高壓空氣會(huì)進(jìn)入回?zé)崞鬟M(jìn)行降溫降壓處理，從而空氣被液化為常壓低溫液態(tài)空氣，這些液態(tài)空氣被儲(chǔ)存在儲(chǔ)液罐中。釋能環(huán)節(jié)液態(tài)空氣通過(guò)低溫泵進(jìn)行升壓，再通過(guò)回?zé)崞鬟M(jìn)行升溫，隨后來(lái)到燃燒室，與燃料一同混合燃燒，在膨脹機(jī)中膨脹做功。

1.1.2 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)主要是依靠旋轉(zhuǎn)中的風(fēng)輪形成動(dòng)能，再借助動(dòng)能轉(zhuǎn)化的方法完成對(duì)電能的高效存儲(chǔ)。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用期間，一般可通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪達(dá)到預(yù)期速度，然后使電能轉(zhuǎn)為飛輪的動(dòng)能，當(dāng)用電量增加的時(shí)候，可利用飛輪動(dòng)能帶動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)電。正常情況下，飛輪系統(tǒng)需在類(lèi)似于真空的狀態(tài)下運(yùn)行，從而降低摩擦或風(fēng)阻帶來(lái)的動(dòng)能損失，保持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)其使用壽命[3]。

某廠在飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用方面，主要是購(gòu)進(jìn)了盾石磁能自主研發(fā)的“兆瓦級(jí)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)”，因該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速不受空氣阻礙而呈現(xiàn)高速飛轉(zhuǎn)狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速可達(dá)到3.6萬(wàn)r/min，致使某廠每年至少能夠節(jié)約110萬(wàn)kWh電能，進(jìn)一步貼合省本要求。而且還從青島地鐵三號(hào)線1MW/15MJ節(jié)能儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際安裝過(guò)程中汲取經(jīng)驗(yàn)，安裝后為某廠同其他電力企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)搶占了優(yōu)勢(shì)。

1.1.3 抽水儲(chǔ)能技術(shù)

該技術(shù)通過(guò)低谷階段的電價(jià)完成對(duì)能量?jī)?chǔ)存，無(wú)需較高成本，但水資源容易蒸發(fā)，系統(tǒng)泵水時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較高功率，所以系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率只能達(dá)到70%。抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)用到的儲(chǔ)能介質(zhì)是海水、地下水以及江河大壩等，過(guò)去系統(tǒng)須在上下游位置設(shè)蓄水池，而海水中也會(huì)在下游設(shè)蓄水池。但儲(chǔ)能期間會(huì)通過(guò)相應(yīng)舉措避免裝置受海水腐蝕。并且抽水儲(chǔ)能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中可進(jìn)行調(diào)頻、調(diào)峰處理，并配合電力系統(tǒng)完成多項(xiàng)動(dòng)態(tài)作業(yè)[4]。

某廠在應(yīng)用抽水儲(chǔ)能技術(shù)期間，主要考慮此項(xiàng)技術(shù)下能夠獲得1.5左右的水頭變幅。為提高對(duì)新能源的利用率，專(zhuān)門(mén)新建混合式抽水蓄能電站，安裝了4臺(tái)可逆式水輪發(fā)電機(jī)組（35萬(wàn)kW），并且基于690m的水庫(kù)落差有序分布機(jī)組，促使蓄能電站建設(shè)后，為某廠帶來(lái)了可靠的高效儲(chǔ)能和優(yōu)質(zhì)發(fā)電服務(wù)。

1.2 化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)

化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)通過(guò)對(duì)化學(xué)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用，憑借電池正負(fù)極間的氧化反應(yīng)完成充電與放電，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存。系統(tǒng)可進(jìn)行快速功率吞吐處理，常見(jiàn)的化學(xué)電池有多種，具體如下。

鈉硫儲(chǔ)能電池。這種電池正極為多硫化鈉與硫，負(fù)極是熔融金屬鈉，電解質(zhì)與隔膜為Na-beta-氧化鋁。鈉硫儲(chǔ)能電池在儲(chǔ)能的能量密度上更高，充放電效率理想，運(yùn)行費(fèi)用較低，但電池需要在300℃的環(huán)境下運(yùn)行，電池放電深度還有提升的空間；鋰電池。其能源轉(zhuǎn)化效率很高，能量密度較大，以鋰電池為主的化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中包含儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)、充放電系統(tǒng)以及電池裝置，系統(tǒng)儲(chǔ)能效率可以超過(guò)85%，電池能量密度高，系統(tǒng)可經(jīng)過(guò)串并聯(lián)的方式得到高容量與高壓，適宜被用在新能源電力系統(tǒng)運(yùn)行中的應(yīng)急供電和旋轉(zhuǎn)備用等方面；液流儲(chǔ)能電池。其輸出功率與電池組面積和儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)單電池?cái)?shù)量有關(guān)，為提高電池儲(chǔ)能容量，應(yīng)提升電解液濃度與容積，電池放電時(shí)不需要加以保護(hù)，適合用在電能存儲(chǔ)與電力系統(tǒng)應(yīng)急供電。

某廠曾在早期建設(shè)了移動(dòng)式磷酸鐵鋰電池電化學(xué)儲(chǔ)能電站（10MW/20MWh），專(zhuān)供35kV新能源電力系統(tǒng)獲取儲(chǔ)能服務(wù)。其中，所用變壓器為10.5±2×2.5%/0.4kV，且搭配20臺(tái)干式變壓器。在儲(chǔ)能優(yōu)化設(shè)計(jì)部分，應(yīng)用4輛移動(dòng)儲(chǔ)能車(chē)（0.25MW/0.5MWh），并具有1臺(tái)儲(chǔ)能變流器（25kW）。而且為確保某廠人員便捷化通往電站，還設(shè)有5m寬的道路，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)設(shè)備的有效檢修。

1.3 相變儲(chǔ)能技術(shù)

與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，相變儲(chǔ)能技術(shù)步進(jìn)系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，且能量密度更大，常見(jiàn)的有冰蓄冷儲(chǔ)能、電儲(chǔ)熱與熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)等。其中，冰蓄冷儲(chǔ)能技術(shù)憑借系統(tǒng)內(nèi)蓄冷介質(zhì)完成結(jié)冰與融冰，再存儲(chǔ)與釋放冷量，該技術(shù)可提升制冷機(jī)組運(yùn)行效率，降低制冷設(shè)備在用電高峰階段的負(fù)荷。電儲(chǔ)熱技術(shù)以水和金屬資料為儲(chǔ)能介質(zhì)，將金屬進(jìn)行固態(tài)液態(tài)轉(zhuǎn)化，可對(duì)熱能加以存儲(chǔ)與釋放，從而實(shí)現(xiàn)高溫儲(chǔ)熱，發(fā)揮金屬導(dǎo)熱性能良好的優(yōu)勢(shì)。熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)就是對(duì)固態(tài)無(wú)機(jī)鹽加熱，使其達(dá)到熔融狀態(tài)。

為滿(mǎn)足某廠周邊電能用戶(hù)用電需求，專(zhuān)為周邊學(xué)校采取“光伏+箱變儲(chǔ)能”聯(lián)合儲(chǔ)能方式，配備光伏板（2500kW）和熱池（175臺(tái)）。同時(shí)以高溫?zé)岢匦问焦?jié)能電能，基本上在1080萬(wàn)kWh發(fā)電量基礎(chǔ)上可以節(jié)省4300t傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)煤，且二氧化碳排放量減少1.08萬(wàn)t，驗(yàn)證以此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改造，可以助力某廠達(dá)成節(jié)能目標(biāo)。

2 某廠儲(chǔ)能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

2.1 儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)能電力系統(tǒng)中應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電廠中加強(qiáng)對(duì)儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用，有利于提高系統(tǒng)功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)有用功與無(wú)用功的調(diào)控。在系統(tǒng)調(diào)峰電能配置環(huán)節(jié)，儲(chǔ)能技術(shù)可以?xún)?yōu)化電網(wǎng)接納水平。電廠出口并網(wǎng)處母線位置安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)，憑借系統(tǒng)放電與儲(chǔ)能功能，對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行功率控制，謹(jǐn)防電網(wǎng)受到風(fēng)電場(chǎng)的供電波動(dòng)干擾，系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)機(jī)裝置會(huì)安裝蓄電池，以達(dá)到電能后備存儲(chǔ)的目的。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)應(yīng)具有削峰填谷的功能，利用儲(chǔ)能技術(shù)，要求儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率值達(dá)到風(fēng)電系統(tǒng)的45%，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)設(shè)備離網(wǎng)發(fā)電目標(biāo)，系統(tǒng)應(yīng)配置更大額定功率值動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能系統(tǒng)。

某廠在儲(chǔ)能技術(shù)合理應(yīng)用階段，借鑒了烏蘭察布儲(chǔ)能項(xiàng)目與興和縣500MW+150MW/300MWh（儲(chǔ)能）風(fēng)電項(xiàng)目，一定程度提高了新能源發(fā)電調(diào)節(jié)能力。

2.2 儲(chǔ)能技術(shù)在光伏電力系統(tǒng)中應(yīng)用

一直以來(lái)，光伏發(fā)電都是新能源發(fā)電系統(tǒng)的主要發(fā)電方式，光伏發(fā)電是依靠太陽(yáng)能的電池原理，形成電勢(shì)差，完成太陽(yáng)能向電能的高效轉(zhuǎn)化，使電能成為直流電。在該環(huán)節(jié)應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，其作用類(lèi)似于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中電池輸出功率產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)揮作用，為光伏發(fā)電帶來(lái)瞬時(shí)功率，促進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)電。為促使某廠逐漸擴(kuò)大多樣儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用范圍，參照了阿拉善盟地區(qū)光伏電力系統(tǒng)儲(chǔ)能經(jīng)驗(yàn)。

2.3 儲(chǔ)能技術(shù)在光熱發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用

光熱發(fā)電與光伏發(fā)電不同，其區(qū)別在于光熱發(fā)現(xiàn)先對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其轉(zhuǎn)為熱能，隨后通過(guò)系統(tǒng)熱力循環(huán)完成熱能轉(zhuǎn)換。光熱發(fā)電系統(tǒng)最終會(huì)轉(zhuǎn)為交流電，將該發(fā)電系統(tǒng)和傳統(tǒng)發(fā)電模式充分結(jié)合，可以有效適應(yīng)現(xiàn)階段電網(wǎng)運(yùn)行模式，可以并網(wǎng)使用。光伏發(fā)電期間完成電能轉(zhuǎn)化后，系統(tǒng)內(nèi)過(guò)剩電能會(huì)被儲(chǔ)存在系統(tǒng)蓄電池內(nèi)，光伏發(fā)電站產(chǎn)生的能量并不是光能，而是熱能，所以?xún)?chǔ)存的能量形式和光伏發(fā)電并不一樣，發(fā)電時(shí)需要借助儲(chǔ)能設(shè)備完成對(duì)電能的高效儲(chǔ)存。主要有“塔式光熱發(fā)電”“蝶式光熱發(fā)電”“槽式光熱發(fā)電”幾種技術(shù)類(lèi)型。通過(guò)熱能的儲(chǔ)存完成全天24h不間斷持續(xù)供電。

在某廠現(xiàn)有基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)通過(guò)搭建高溫熔鹽罐、中央集熱塔（四棱柱鋼結(jié)構(gòu)）等裝置構(gòu)建完整的儲(chǔ)熱系統(tǒng)，借此提高熱能與電能的轉(zhuǎn)換率，該系統(tǒng)運(yùn)行后基本上可以達(dá)到2h左右的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)，其儲(chǔ)熱發(fā)電功率在150kW左右，此時(shí)更易為某廠后續(xù)對(duì)太陽(yáng)能的熱能的有效利用給予保障。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，某廠新能源電力系統(tǒng)運(yùn)行期間儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，可以通過(guò)物理儲(chǔ)能技術(shù)、化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)、相變儲(chǔ)能技術(shù)、電磁儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，為其光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化給予依據(jù)，借此達(dá)成省本目標(biāo)，為電能的節(jié)約創(chuàng)造有利條件，逐步提高某廠電力生產(chǎn)效益。